在高数据速度下确保信号完整性的 10 个关键策略
随着越来越多的传感器连接到系统，需要快速、可靠和安全地传输更多数据，对带宽和设计复杂性的需求也在增加。优先考虑的是确保从 A 发送到 B 的信号不会失真。
确保信号完整性
对于设计依赖于持续准确数据流的数据密集型应用程序的工程师来说，确保信号完整性至关重要，例如物联网、工业 4.0 和互连生态系统。最重要的是，在高比特率和长距离下，噪声、失真、插入/回波损耗和串扰等影响可能会使电信号降低，以至于发生错误和设备或系统故障。
为了实现无缝连接，连接器性能应被视为等式的一部分。决定数据传输成功的其他关键因素包括电缆本身的质量和性能、连接器布线和连接设备之间的接口以及发射器和接收器的质量。平衡布线性能由多个参数定义。最相关的是衰减（插入损耗）、反射（回波损耗）、近端串扰 （NEXT） 和远端串扰 （FEXT）。事实上，电缆连接器组件设计中的每一个决定最终都会影响信号完整性。
要优化产品以实现高速数据传输，必须克服 10 个关键设计挑战：
1） 传输线
电缆连接丢失会影响信号传输。信号频率越高，损耗越强。由于信号的最大所需频率 （fMAX） 相对于它需要传输的距离来说更高，因此需要用高频模型替换简化的集总电路模型，例如传输线公式甚至全波麦克斯韦方程组。金属表面的直流连接不再能保证高速连接。
2） 信号衰减
反射和衰减是信号衰减的两种主要机制。在变送器和连接器的交叉处可能会发生劣化。如果发射器的输入阻抗与连接器的输入阻抗不同，则部分输入能量将反射到发射器。由于金属或介电损耗，一些剩余的能量将在连接器中损失，并且波将到达连接器的另一侧。虽然反射是连接器信号丢失的最重要机制，但衰减是电缆中丢失的主要机制。除了这两种效果外，其他线对的噪声和串扰也会引起问题。
由于衰减和阻抗不匹配而导致的信号衰减：a） 在发射器侧，b） 在电缆和接收器侧。
3） 阻抗匹配
为了优化阻抗匹配（V/I 或 E/H 比率），应考虑所有元件的触点直径、触点之间的距离、触点形状因子和材料类型等因素。连接器的设计会影响 NEXT 和 FEXT 性能，并且连接器也必须针对这些约束进行优化。
没有和有针对阻抗匹配优化的设计的连接器之间的区别。
4） 串扰
重要的是要确定在平行信道中运行的波是否相互作用以及强度如何，从而产生干扰（串扰）。为了在物理层中实现通常的 1e-12 误码率 （BER），电缆连接器组件的参数之一是 NEXT 和 FEXT 串扰的电平，即电缆中从一个通道到另一个通道的场耦合。为了最大限度地减少串扰，引脚的位置和信号对引脚布局的归因都至关重要。
比较同一连接器中具有不同信号分配方式的两种串扰。
5） 矢量网络分析仪 （VNA）
数据协议提供数据传输参数（插入损耗、回波损耗、串扰、噪声）的规范值，以确保系统各个组件（发射器、接收器、电缆、连接器）的兼容性，以便它们可以适当地协同工作。典型协议包括以太网、USB、SDI、DP 和 HDMI。针对定义的协议优化设计后，需要测试物理连接器-电缆组件原型，以使用矢量网络分析仪 （VNA） 验证完整的特性。它测量元件电气连接处反射和透射的波参数与频率的关系，即所谓的散射参数或 S 参数。典型的待测设备没有执行测量所必需的同轴接口，因此通常需要将测试夹具插入仪器的同轴接口和被测设备 （DUT） 之间，例如 PCB、封装、连接器或电缆。要将电缆连接器组件连接到 VNA 设备，需要根据所需的带宽设计高速精密 PCB。
用于 VNA 测量的 PCB 夹具示例
6） 几何优化
任何几何实体都可能改善或干扰从连接器一侧到另一侧的能量流。因此，每个高速相关设计都必须针对机械、电气、信号完整性和 EMI/EMC 性能的各个方面进行交叉优化。需要考虑的主要影响参数是连接器设计、电缆长度、电缆性能（损耗）以及 1 Gb/s 以上的受控和可重复的电缆组件和灌封过程。
具有 9 个触点的 Fischer MiniMax™ 系列是专门设计用于使用单一协议 （USB 3.2） 实现高速数据传输的连接器示例。
7） 阻抗测量
通过观察纵向场分布确保掌握横向电磁 （TEM） 传播模式后，必须确保正确设计引脚直径及其分布以实现正确的阻抗。连接器的设计会影响 NEXT 和 FEXT 性能，并且连接器也必须针对这些约束进行优化。对于阻抗测量，可以使用时域反射计 （TDR） 设备。
8） 去嵌入
必须使用去嵌入从测量结果中消除 PCB 夹具的影响。建议实施 IEEE 370-2020 标准，以确保最佳的 PCB 制造和去嵌入工艺。
9） SerDes 模拟
物理层通信系统的整体速度取决于物理层的架构以及发射器和接收器的规格。在许多应用中，通信链路的特殊配置可能与标准中的规范不同。系统级串行器/解串器 （SerDes） 仿真用于测量电缆连接器组件的数据传输速率。仿真可以用眼图直观地表示，其中位的叠加形成一个“眼睛”形状，一目了然地了解系统和关键连接参数。该图显示了信号传输是否以所需的速度进行，以及它对干扰的敏感性。
5 Gb/s 时 MiniMax 链路的 SerDes 模拟：a） 眼图显示了 USB 3.2 Gen 1 的最小眼图张开度，b） 接收器端口的浴盆定时曲线和抖动计算。
10） 链接优化
在许多情况下，通道眼图是闭合的。通过包括连续时间线性均衡 （CTLE）、决策反馈均衡 （DFE） 或其他方法等信号调节技术，可以打开眼图。
为了优化产品以实现高速数据传输并防止信号失真，工程师应从一开始就设计信号完整性。通过采用整体连接方法（从发射器到接收器），可以避免上述常见陷阱。此外，还需要在组件和系统层面全面测试相关的连接技术。